北宋時代に高麗へ派遣する使節用として造られた帆船は全長約110メートル積載量1100トン以上で、見た事のない大船だと記される。一般の貿易船としては、積載量275トン程度の大船から万斛船と呼ばれる600～900トン程度の巨大帆船まで様々な種類の船が用いられた。戦闘船は速度が重視され、一日千里を航行すると記録されている。ヴェネツィアの旅行家マルコ・ポーロ（Marco Polo,1254年 -1324年）は20年近く元朝のクビライ・ハーンに仕えた。そのときのことを口述した『東方見聞録』において、元朝の南方交易用の帆船は、4本のマストを持ち乗員は60名程度であること、竜骨（キール）によって船体は高い強度を保っていること、浸水しても沈没を免れる隔壁構造の船体を採用していること、羅針盤によって正確な遠洋航行が可能であることを報告している。中国の明朝では鄭和が1405年から1433年にかけて7回の大航海を行った。航海した範囲は東南アジア、インド、アラビア半島、アフリカ東岸にまでわたった。これらの航海には長さ173m、幅56mにも及ぶ巨大な帆船が用いられた（詳細は項目「鄭和」を参照のこと）。
紀元前2500年頃から、アウストロネシアの太平洋、インド洋への移民が始まり、紀元前1000年頃にはポリネシア人がサモア、トンガなどに達している。当時使われた船を示す直接の証拠はないが、風の弱い時期を選んで風上に向かって帆走していたと考えられている。ミクロネシア文化人やポリネシア人は天測や生物相の観察、うねりの観察などを用いた独自の航法技術（スター・ナヴィゲーション）を発達させ、時に数千キロにも及ぶ大航海を行っていた。オセアニアでは、逆三角帆（クラブクロウ・セイル）を用いた帆船が盛んに建造され、人や物の交流に使用されていた。これらを総称して「セイリング・カヌー（帆走カヌー）」と呼ぶ。セイリング・カヌーには単胴のもの（アウトリガーカヌー）と双胴のもの（ダブルカヌー）がある。
長町-利府断層より下流の両岸（沖積平野）にある微高地には、旧石器時代から古代の遺跡が数多く見られる。そのため、この地区が同時期の仙台平野の中心地と見られている。南小泉遺跡などの集落跡や遠見塚古墳がある左岸が当初は中心地だったようだが、後に古墳群がある右岸に中心地が移ったようである。その後、最初の陸奥国国府と見られる郡山遺跡が右岸に築かれている。多賀城設置後は、当地が中心地ではなくなったが、長町-利府断層沿いに陸奥国分寺・陸奥国分尼寺の設置が見られる。『吾妻鏡』に、源頼朝の軍勢の進攻に備えて奥州藤原氏が防衛線を「広瀬河」に作ったとあり、これが広瀬川の文献初見である。南北朝時代には広瀬川の戦いが南北両朝の間で戦われた。広瀬川中流域は河岸段丘となっており、広瀬川は一段低いところを流れている。水を引き揚げることが難しかったために、中世まで未開発の原野（宮城野）として取り残された。しかし、江戸時代に伊達氏が居城にした仙台城は、広瀬川中流の右岸にある青葉山に築かれ、川を第一線の守りにした。このため、仙台城下町はこの水の乏しい河岸段丘の原野に開かれることになり、数万の人々が生きていくために必要な井戸水を供給する地下水の利水が重要になった（→#利水参照）。後に仙台城下町を基盤に仙台市都心部が築かれていくが、1923年（大正12年）の市営上水道の給水開始以降、井戸水で支えられる人口以上の都市化が実現する。仙台城と仙台城下町および若林城と若林城下町の建設には建材として大量の材木が必要であったが、材木を城下に運ぶ経路の1つとして広瀬川が用いられた。材木は、河口から遡って舟丁辺りで陸揚げされたようである。また、江戸時代は家庭でのエネルギーを炭や薪に依存していたため、名取川上流で伐採された丸太を冬季に流し、木流堀を経由して広瀬川に運び入れた。これを、藩が家臣に支給しており、広瀬川沿いには貯木場があった。幕末に広瀬川中流域で亜炭が発見されて以降、家庭でのエネルギーとして亜炭の比率が上がっていくが、エネルギー革命により亜炭採掘も貯木場も1950年代に終わりを告げた（→仙台亜炭参照）。江戸時代には、広瀬川は上流から下流までそれぞれ流れる場所の地名をとって様々な名で呼ばれた。上流から、作並川、熊ヶ根川、野川、愛子川、郷六川、仙台川、長町川、若林川である。また大川とも呼ばれた。ここでいう仙台川は、仙台市の北部を流れる現代の仙台川とは別ものである。上流部で広瀬川の本流は明治時代の初めまで現在の大倉川とされており、下って1931年にもそのような理解があった。実際、大倉川は現在本流とされる作並・熊ヶ根の川より長い。明治になって文明開化の波が仙台にも及ぶと、牛乳や牛肉の需要が興り、広瀬川中流の下町段丘では牧場が営まれるようになった。河川敷での放牧権を県から買った牧場主たちが、毎年5月から10月頃まで、牧場がある下町段丘から河川敷に牛を連れて降り、牛に草を食ませた。高度経済成長で大資本の乳業会社が仙台にも進出したことや、周辺の宅地化の影響もあって、昭和40年代末には牧場は姿を消し、放牧も行われなくなった。戦後占領期、川内にキャンプ・センダイをおいたアメリカ軍は未処理の下水を川に流した。他にも市内の排水が流れ込むようになり、広瀬川の水質は悪化して、市街に入るあたりから川下に魚が棲まなくなった。仙台市は1974年（昭和49年）に「広瀬川の清流を守る条例」を制定して川沿いの土地建物の変更や土・木の採取、川への排水に規制を加え、あわせて下水道の整備に努めた。水質は平成に入る頃には回復し、最近では釣り人もよく見かける。1983年（昭和58年）に朝日新聞社と同社が設立した森林文化協会が、「21世紀に残したい日本の自然100選」の中に広瀬川を選んだ。1985年（昭和60年）に環境庁が名水百選の一つに広瀬川を選んだ。1996年（平成8年）に環境庁は「残したい日本の音風景100選」 に「広瀬川のカジカガエルと野鳥」を選んだ。近年、上流の取水による、中流における夏季の流量減少が問題となっている。